一文帶你了解FPGA

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FPGA簡介

FPGA是英文Field-Programmable Gate Array的縮寫，即現場可編程門陣列，它是在可編程陣列邏輯PAL(Programmable Array Logic)、門陣列邏輯GAL(Gate Array Logic)、可編程邏輯器件PLD(Programmable Logic Device)等可編程器件的基礎什么是FPGA上進一步發(fā)展的產物。

它是作為專用集成電路ASIC(Applica TIon Specific Integrated Circuit)領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。FPGA能完成任何數字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡單的74系列電路，都可以用FPGA來實現。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統的原理圖什么是輸入法，或是硬件描述語言自由設計一個數字系統。

通過軟件仿真，我們可以事先驗證設計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用FPGA的在線修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路。使用FPGA來開發(fā)數字電路，可以大大縮短設計時間，減少PCB面積，提高系統的可靠性。PLD的這些優(yōu)點使得PLD技術在90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時也大大推動了電子設計自動化EDA(Electronic Design Automa TIc)軟件和硬件描述語言VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Descrip TIon)的進步。

FPGA的特點

FPGA具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬FPGA等特點。兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點，可實現較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與門陣列等其它ASIC相比，它又具有設計開發(fā)什么是周期短、設計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產品無需測試、質量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應用于產品的原型設計和產品生產(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數字集成電路的場合均可應用FPGA。

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個新概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內部連線(Interconnect)三個部分。

FPGA的主要基本特點

一是采用FPGA設計ASIC電路，用戶不需要投片生產，就能得到合用的芯片。

二是FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

三是FPGA內部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

四是FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。

五是FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

FPGA芯片結構

目前主流的FPGA仍是基于查找表技術的，已經遠遠超出了先前版本的基本性能，并且整合了常用功能(如RAM、時鐘管理和DSP)的硬核(ASIC型)模塊。FPGA芯片主要由6部分完成，分別為：可編程輸入輸出單元、基本可編程邏輯單元、完整的時鐘管理、嵌入塊式RAM、豐富的布線資源、內嵌的底層功能單元和內嵌專用硬件模塊。

1.可編程輸入輸出單元(IOB)

可編程輸入/輸出單元簡稱I/O單元，是芯片與外界電路的接口部分，完成不同電氣特性下對輸入/輸出信號的驅動與匹配要求。為了便于管理和適應多種電器標準，FPGA的IOB被劃分為若干個組(bank)，每個bank的接口標準由其接口電壓VCCO決定，一個bank只能有一種VCCO，但不同bank的VCCO可以不同。只有相同電氣標準的端口才能連接在一起，VCCO電壓相同是接口標準的基本條件。

2.可配置邏輯塊(CLB)

CLB是FPGA內的基本邏輯單元。CLB的實際數量和特性會依器件的不同而不同，但是每個CLB都包含一個可配置開關矩陣，此矩陣由4或6個輸入、一些選型電路(多路復用器等)和觸發(fā)器組成。開關矩陣是高度靈活的，可以對其進行配置以便處理組合邏輯、移位寄存器或RAM。

3.嵌入式塊RAM(BRAM)

大多數FPGA都具有內嵌的塊RAM，這大大拓展了FPGA的應用范圍和靈活性。塊RAM可被配置為單端口RAM、雙端口RAM、內容地址存儲器(CAM)以及FIFO等常用存儲結構。CAM存儲器在其內部的每個存儲單元中都有一個比較邏輯，寫入CAM中的數據會和內部的每一個數據進行比較，并返回與端口數據相同的所有數據的地址，因而在路由的地址交換器中有廣泛的應用。除了塊RAM，還可以將FPGA中的LUT靈活地配置成RAM、ROM和FIFO等結構。在實際應用中，芯片內部塊RAM的數量也是選擇芯片的一個重要因素。

4.豐富的布線資源

布線資源連通FPGA內部的所有單元，而連線的長度和工藝決定著信號在連線上的驅動能力和傳輸速度。FPGA芯片內部有著豐富的布線資源，根據工藝、長度、寬度和分布位置的不同而劃分為4類不同的類別。第一類是全局布線資源，用于芯片內部全局時鐘和全局復位/置位的布線;第二類是長線資源，用以完成芯片Bank間的高速信號和第二全局時鐘信號的布線;第三類是短線資源，用于完成基本邏輯單元之間的邏輯互連和布線;第四類是分布式的布線資源，用于專有時鐘、復位等控制信號線。

在實際中設計者不需要直接選擇布線資源，布局布線器可自動地根據輸入邏輯網表的拓撲結構和約束條件選擇布線資源來連通各個模塊單元。從本質上講，布線資源的使用方法和設計的結果有密切、直接的關系。

5.底層內嵌功能單元

內嵌功能模塊主要指DLL(Delay Locked Loop)、PLL(Phase Locked Loop)、DSP和CPU等軟處理核?，F在越來越豐富的內嵌功能單元，使得單片FPGA成為了系統級的設計工具，使其具備了軟硬件聯合設計的能力，逐步向SOC平臺過渡。

DLL和PLL具有類似的功能，可以完成時鐘高精度、低抖動的倍頻和分頻，以及占空比調整和移相等功能。

6.內嵌專用硬核

內嵌專用硬核是相對底層嵌入的軟核而言的，指FPGA處理能力強大的硬核(Hard Core)，等效于ASIC電路。為了提高FPGA性能，芯片生產商在芯片內部集成了一些專用的硬核。例如：為了提高FPGA的乘法速度，主流的FPGA中都集成了專用乘法器;為了適用通信總線與接口標準，很多高端的FPGA內部都集成了串并收發(fā)器(SERDES)，可以達到數十Gbps的收發(fā)速度。

FPGA與ASIC及CPLD對比

1、FPGA和ASIC的比較

ASIC是英文的Applica TIon Specific Integrated Circuits縮寫，即專用集成電路，是指應特定用戶要求和特定電子系統的需要而設計、制造的集成電路。目前用CPLD(復雜可編程邏輯器件)和FPGA(現場可編程邏輯陣列)來進行ASIC設計是最為流行的方式之一，它們的共性是都具有用戶現場可編程特性，都支持邊界掃描技術，但兩者在集成度、速度以及編程方式上具有各自的特點。

ASIC的特點是面向特定用戶的需求，品種多、批量少，要求設計和生產周期短，它作為集成電路技術與特定用戶的整機或系統技術緊密結合的產物，與通用集成電路相比具有體積更小、重量更輕、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優(yōu)點。

FPGA特別適合于樣品研制或小批量產品開發(fā)，使產品能以最快的速度上市，而當市場擴大時，它可以很容易的由ASIC實現，因此開發(fā)風險也大為降低。但ASIC也有它固有的優(yōu)勢，芯片可以獲得最優(yōu)的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低，批量成本低，所以在今后一段時間內ASIC仍然會占據高端芯片市場和大批量應用的成熟中低端市場。

2、FPGA與CPLD的比較

盡管FPGA和CPLD都是可編程ASIC器件，有很多共同特點，但由于CPLD和FPGA結構上的差異，具有各自的特點：

一是CPLD更適合完成各種算法和組合邏輯，FPGA更適合于完成時序FPGA邏輯。換句話說，FPGA更適合于觸發(fā)器豐富的結構，而CPLD更適合于觸發(fā)器有限而乘積項豐富的結構。

二是CPLD的連續(xù)式布線結構決定了它的時序延遲是均勻的和可預測的，而FPGA的分段式布線結構決定了其延遲的不可預測性。

三是在編程上FPGA比CPLD具有更大的靈活性。CPLD通過修改具有固定內連電路的邏輯功能來編程，FPGA主要通過改變內部連線的布線來編程;FPGA可在邏輯門下編程，而CPLD是在邏輯塊下編程。

四是FPGA的集成度比CPLD高，具有更復雜的布線結構和邏輯實現。

五是CPLD比FPGA使用起來更方便。CPLD的編程采用E2PROM或FASTFLASH技術，無需外部存儲器芯片，使用簡單。而FPGA的編程信息需存放在外部存儲器上，使用方法復雜。

六是PLD的速度比FPGA快，并且具有較大的時間可預測性。這是由于FPGA是門級編程，并且CLB之間采用分布式互聯，而CPLD是邏輯塊級編程，并且其邏輯塊之間的互聯是集總式的。

七是在編程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存儲器編程，編程次數可達1萬次，優(yōu)點是系統斷電時編程信息也不丟失。CPLD又可分為在編程器上編程和在系統編程兩類。FPGA大部分是基于SRAM編程，編程信息在系統斷電時丟失，每次上電時，需從器件外部將編程數據重新寫入SRAM中。其優(yōu)點是可以編程任意次，可在工作中快速編程，從而實現板級和系統級的動態(tài)配置。

八是CPLD保密性好，FPGA保密性差。

九是一般情況下，CPLD的功耗要比FPGA大，且集成度越高越明顯。

FPGA基礎入門到高手相關知識

1、FPGA器件有三類配置下載方式：主動配置方式(AS)和被動配置方式(PS)和最常用 的(JTAG)配置方式。

AS由FPGA器件引導配置操作過程，它控制著外部存儲器和初始化過程，EPCS系列。如EPC S1，EPCS4配置器件專供AS模式，目前只支持 Cyclone系列。使用Altera串行配置器件來完成。Cyclone期間處于主動地位，配置期間處于從屬地位。配置數據通過DATA0引腳送入 FPGA。配置數據被同步在DCLK輸入上，1個時鐘周期傳送1位數據。

PS則由外部計算機或控制器控制配置過程。通過加強型配置器件(EPC16，EPC8，EPC4)等配置器件來完成，在PS配置期間，配置數據從外部儲存部件，通過DATA0引腳送入FPGA。配置數據在DCLK上升沿鎖存，1個時鐘周期傳送1位數據。

JTAG接口是一個業(yè)界標準，主要用于芯片測試等功能，使用IEEE Std 1149.1聯合邊界掃描接口引腳，支持JAM STAPL標準，可以使用Altera下載電纜或主控器來完成。 FPGA在正常工作時，它的配置數據存儲在SRAM中，加電時須重新下載。在實驗系統中，通常用計算機或控制器進行調試，因此可以使用PS。在實用系統中，多數情況下必須由FPGA主動引導配置操作過程，這時FPGA將主動從外圍專用存儲芯片中獲得配置數據，而此芯片中fpga配置信息是用普通編程器將設計所得的pof格式的文件燒錄進去。

專用配置器件：epc型號的存儲器

常用配置器件：epc2，epc1，epc4，epc8，epc1441(現在好象已經被逐步淘汰了)等

對于cyclone cycloneII系列器件，ALTERA還提供了針對AS方式的配置器件，EPCS系列。如EPCS1，EPCS4配置器件也是串行配置的。注意，他們只適用于cyclone系列。 除了AS和PS等單BIT配置外，現在的一些器件已經支持PPS，FPS等一些并行配置方式，提升配置了配置速度。當然所外掛的電路也和PS有一些區(qū)別。還有處理器配置比如JRUNNER 等等，如果需要再baidu吧，至少不下十種。

比如Altera公司的配置方式主要有Passive Serial(PS)，Active Serial(AS)，Fast Passive Parallel(FPP)，Passive Parallel Synchronous(PPS)，Passive Parallel Asynchronous(PPA)，Passive Serial Asynchronous(PSA)，JTAG等七種配置方式，其中Cyclone支持的配置方式有PS，AS，JTAG三種。

2、對FPGA芯片的配置中，可以采用AS模式的方法，如果采用EPCS的芯片，通過一條下載線進行燒寫的話，那么開始的‘nCONFIG，nSTATUS’應該上拉，要是考慮多種配置模式，可以采用跳線設計。讓配置方式在跳線中切換，上拉電阻的阻值可以采用10K。

3、在PS模式下tip：如果你用電纜線配置板上的FPGA芯片，而這個FPGA芯片已經有配置芯片在板上，那你就必須隔離纜線與配置芯片的信號。(祥見下圖)。一般平時調試時不會把配置芯片焊上的，這時候用纜線下載程序。只有在調試完成以后，才把程序燒在配置芯片中， 然后將芯片焊上?；蛘吲渲眯酒褪强梢苑奖闳∠潞干系哪欠N。這樣出了問題還可以方便地調試。

在AS模式下tip： 用過一塊板子用的AS下載，配置芯片一直是焊在板子上的，原來AS方式在用線纜對配置芯片進行下載的時候，會自動禁止對FPGA的配置，而PS方式需要電路上隔離。

4、一般是用jtag配置epc2和flex10k，然后 epc2用ps方式配置flex10k.這樣用比較好。(這是我在網上看到的，可以這樣用嗎?懷疑中)望達人告知。

5、下載電纜，Altera下的下載電纜分為byteblaster和byteblasterMV，以及ByteBlaster II，現在還推出了基于USB-blaster.由于BB基本已經很少有人使用，而USB-Blaster現在又過于昂貴，這里就說一下BBII和 BBMV的區(qū)別。

BBII支持多電壓供電5.5v，3.3v，2.5v，1.8v;BBII支持三種下載模式：AS，可對Altera的As串行配置芯片(EPCS系列)進行編程 PS，可對FPGA進行配置 JTAG，可對FPGA，CPLD，即Altera配置芯片(EPC系列)編程 而BBMV只支持PS和JTAG

6、一般在做FPGA實驗板，(如cyclone系列)的時候，用AS+JTAG方式，這樣可以用JTAG方式調試，而最后程序已經調試無誤了后，再用 AS模式把程序燒到配置芯片里去，而且這樣有一個明顯的優(yōu)點，就是在AS模式不能下載的時候，可以利用Quartus自帶的工具生成JTAG模式下可以利用的jic文件來驗證配置芯片是否已經損壞。

7、Altera的FPGA可以通過單片機，CPLD等加以配置，主要原理是滿足datasheet中的時序即可，這里我就不多說了，有興趣的朋友可以看看下面幾篇文章，應該就能夠明白是怎么回事了。

8、配置時，quartus軟件操作部分：

(1)assignment--》device--》device&pin options--》選擇configuration scheme，configuaration mode，configuration device，注意在不支持遠程和本地更新的機器中configuration mode不可選擇，而configuration device中會根據不同的配置芯片產生pof文件， 如果選擇自動，會選擇最小密度的器件和適合設計。

(2)可以定義雙口引腳在配置完畢后的作用，在剛才的device&pin option--》dual-purpose pins--》，可以在配置完畢后繼續(xù)當I/O口使用

(3)在general菜單下也有很多可鉤選項，默認情況下一般不做改動，具體用法參見alter a configuration handbook，volume2，sectionII.

(4)關于不同后綴名的文件的適用范圍： sof(SRAM Object File)當直接用PS模式下將配置數據下到FPGA里用到，USB BLASTER，MASTERBLASER，BBII，BBMV適用，quartusII會自動生成，所有其他的配置文件都是由sof生成的。 pof(Programmer Object File)也是由quartusII自動生成的，BBII適用，AS模式下將配置數據下到配置芯片中rbf(Raw Binary File)用于微處理器的二進制文件。在PS，FPP，PPS，PPA配置下有用處rpd(Raw Programing Data File)包含bitstream的二進制文件，可用AS模式配置，只能由pof文件生成hex(hexadecimal file)這個就不多說了，單片機里很多ttf(Tabular Text File)適用于FPP，PPS，PPA，和bit-wide PS配置方式sbf(Serial Bitstream File)用PS模式配置Flex 10k和Flex6000的jam(Jam File)專門用于program，verigy，blank-check。

FPGA下載配置學習心得

1、根據FPGA在配置電路中的角色，配置數據可以使用3種方式載入到目標器件中：

(1) FPGA主動方式：由FPGA來主動輸出控制和同步信號給FPGA的串行配置芯片(EPCS系列)，配置芯片收到命令后，把配置數據發(fā)給FPGA，完成配置過程;在AS模式下，FPGA必須與AS串行配置芯片配合使用，它與FPGA的接口為四跟信號線，分別為：串行時鐘輸入(DCLK)，AS控制信號輸入 (ASDI)，片選信號(nCS)，串行數據輸出(DATA)。

(2) FPGA被動方式：被動模式下，由系統的其他設備發(fā)起并控制配置過程，這些設備可以是配置芯片(EPC系列)，或者單板的微處理器、CPLD等。 FPGA在配置過程中完全處于被動地位，只是輸出一些狀態(tài)信號來配合配置過程;在PS模式下，需要配置時鐘(DCLK)，配置數據(DATA0)，配置命令(nCONFIG)，狀態(tài)信號(nSTATUS)，配置完成指示(CONF_DONE)這四個信號來完成配置過程。

(3) JTAG模式：使用JTAG進行配置可以使用Altera的下載電纜，或者通過智能主機模擬JTAG的時序來進行配置;JTAG接口由四個必須的信號TDI、TDO、TMS和TCK，以及一個可選的TRST構成。

2、若使用ByteBlasterII下載電纜，支持的配置方式有以下3種：

AS方式：對AS配置芯片(ECPS系列)進行編程;

PS方式：可以對FPGA進行配置;

JTAG方式：可以對FPGA、CPLD以及Altera配置芯片(EPC系列)編程。

3、AS及PS模式下的注意事項

PS 模式：如果你用電纜線配置板上的FPGA芯片，而這個FPGA芯片已經有配置芯片在板上，那你就必須隔離纜線與配置芯片的信號一般平時調試時不會把配置芯片焊上的，這時候用纜線下載程序。只有在調試完成以后，才把程序燒在配置芯片中，然后將芯片焊上。或者配置芯片就是可以方便取下焊上的那種。這樣出了問題還可以方便地調試。

AS模式下： 用過一塊板子用的AS下載，配置芯片一直是焊在板子上的，原來AS方式在用線纜對配置芯片進行下載的時候，會自動禁止對FPGA的配置，而PS方式需要電路上隔離。

4、一般在做FPGA實驗板，(如cyclone系列)的時候，用AS+JTAG方式，這樣可以用JTAG方式調試，而最后程序已經調試無誤了后，再用AS模式把程序燒到配置芯片里去，而且這樣有一個明顯的優(yōu)點，就是在AS模式不能下載的時候，可以利用Quartus自帶的工具生成JTAG模式下可以利用的jic文件來驗證配置芯片是否已經損壞。